DE102022203733A1 - Method for generating control signals for power switches in a resonant DC/DC converter - Google Patents
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Abstract
Ansteuersignale für Leistungsschalter in einem resonanten DC/DC-Wandler, beispielsweise einem LLC-Wandler, werden durch Abzählen einer Zykluszahl, beispielsweise 1000, von Taktgeber-Zyklen einer hohen Frequenz, beispielsweise 100 Mhz, erzeugt. Dabei wird für eine vorgegebene Soll-Schaltfrequenz eine Sequenz von zwei oder mehr verschiedenen Zykluszahlen verwendet, die periodisch wiederholt wird und so im zeitlichen Mittel die Soll-Schaltfrequenz erzeugt, obwohl der Schaltabstand zweier Schaltvorgänge von der Soll-Schaltfrequenz verschieden ist.Control signals for power switches in a resonant DC/DC converter, for example an LLC converter, are generated by counting a cycle number, for example 1000, of clock cycles of a high frequency, for example 100 MHz. For a given target switching frequency, a sequence of two or more different cycle numbers is used, which is repeated periodically and thus generates the target switching frequency on average over time, although the switching distance between two switching processes is different from the target switching frequency.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Leistungsschalter in einem resonanten DC/DC-Wandler sowie einen resonanten DC/DC-Wandler, in dem ein solches Verfahren verwendet wird.The invention relates to a method for generating control signals for power switches in a resonant DC/DC converter and a resonant DC/DC converter in which such a method is used.
Performante Resonanzwandler benötigen zur exakten Leistungseinstellung Ansteuersignale mit sehr hohen Frequenzauflösungen. Dabei können Frequenzauflösungen von weniger als 1 Hz erforderlich sein. Hohe Frequenzauflösungen ermöglichen Auslegungen eines Resonanzwandlers, bei denen der gesamte Arbeitsbereich über ein enges Frequenzband nahe des Resonanzpunktes gestellt werden kann. Dies führt im Vergleich zu Auslegungen mit einem breiteren Frequenzband zu einer besseren Effizienz über den Arbeitsbereich.High-performance resonance converters require control signals with very high frequency resolutions for precise power adjustment. Frequency resolutions of less than 1 Hz may be required. High frequency resolutions enable designs of a resonance converter in which the entire operating range can be set over a narrow frequency band near the resonance point. This results in better efficiency over the working range compared to designs with a wider frequency band.
Weiterhin kann eine zu ungenaue Frequenzauflösung in Anwendungen mit breitem Arbeitsbereich dazu führen, dass diese Anwendung nicht mit vertretbarem Aufwand mit einem Resonanzwandler dargestellt werden kann.Furthermore, a frequency resolution that is too imprecise in applications with a wide working range can mean that this application cannot be represented with a resonance converter with reasonable effort.
Ansteuersignale mit hoher Frequenzauflösung können mit hoch performanten Mikrocontrollern oder FPGAs erzeugt werden. Soll die Auflösung noch weiter erhöht werden, kann ein Microcontroller-gesteuerter VCO (Voltage Controlled Oscillator) eingesetzt werden, aus dessen Signalen ein FPGA die Ansteuerungssignale erzeugt.Control signals with high frequency resolution can be generated using high-performance microcontrollers or FPGAs. If the resolution is to be increased even further, a microcontroller-controlled VCO (Voltage Controlled Oscillator) can be used, from whose signals an FPGA generates the control signals.
Ist der Einsatz der genannten elektronischen Komponenten aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ausgeschlossen, werden nachteilig Auslegungen mit breiterem Frequenzband auf Kosten der Effizienz verwendet.If the use of the electronic components mentioned is excluded for reasons of economic efficiency, designs with a wider frequency band are disadvantageously used at the expense of efficiency.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Leistungsschalter in einem resonanten DC/DC-Wandler sowie einen resonanten DC/DC-Wandler anzugeben, bei denen eine vereinfachte Erzeugung von Ansteuersignalen mit hoher Frequenzauflösung ermöglicht ist.It is the object of the invention to provide a method for generating control signals for power switches in a resonant DC/DC converter and a resonant DC/DC converter, in which a simplified generation of control signals with high frequency resolution is possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch einen resonanten DC/DC-Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.This task is achieved by a method with the features specified in claim 1. Furthermore, the task is solved by a resonant DC/DC converter with the features of claim 7.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Ansteuersignalen für Leistungsschalter in einem resonanten DC/DC-Wandler wird eine Soll-Schaltfrequenz ermittelt, mit der die Ansteuersignale in einem gegebenen Betriebspunkt des DC/DC-Wandlers über mehrere Schaltzyklen hinweg erzeugt werden sollen. Weiterhin wird werden aus der Soll-Schaltfrequenz und der Frequenz eines Taktgebers in einem Mikrocontroller wenigstens zwei verschiedene Zyklenzahlen ermittelt. Dabei ist eine Zykluszahl eine Anzahl von Zyklen des Taktgebers, deren Verstreichen den zeitlichen Abstand zweier aufeinander folgender Ansteuersignale festlegt. Weiterhin ist dabei eine sich ergebende Schaltfrequenz durch die erste Zykluszahl höher als die Soll-Schaltfrequenz und eine sich ergebende Schaltfrequenz durch die zweite Zykluszahl geringer ist als die Soll-Schaltfrequenz. Schließlich werden innerhalb einer Mehrzahl von Schaltzyklen die erste und die zweite Zykluszahl jeweils wenigstens einmal verwendet, um den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Ansteuersignale festzulegen.In the method according to the invention for generating control signals for power switches in a resonant DC/DC converter, a target switching frequency is determined with which the control signals are to be generated at a given operating point of the DC/DC converter over several switching cycles. Furthermore, at least two different cycle numbers are determined from the target switching frequency and the frequency of a clock generator in a microcontroller. A cycle number is a number of cycles of the clock generator, the elapse of which determines the time interval between two successive control signals. Furthermore, a resulting switching frequency due to the first cycle number is higher than the target switching frequency and a resulting switching frequency due to the second cycle number is lower than the target switching frequency. Finally, within a plurality of switching cycles, the first and second cycle numbers are each used at least once to determine the time interval between two successive control signals.
Der erfindungsgemäße resonanter DC/DC-Wandler umfasst mehrere Leistungsschalter und einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller ist ausgestaltet zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Leistungsschalter und ist weiterhin ausgestaltet, eine Soll-Schaltfrequenz zu ermitteln, mit der die Ansteuersignale in einem gegebenen Betriebspunkt des DC/DC-Wandlers über mehrere Schaltzyklen hinweg erzeugt werden sollen, aus der Soll-Schaltfrequenz und der Frequenz eines Taktgebers in einem Mikrocontroller wenigstens zwei verschiedene Zyklenzahlen zu ermitteln, wobei eine Zykluszahl eine Anzahl von Zyklen des Taktgebers ist, deren Verstreichen den zeitlichen Abstand zweier aufeinander folgender Ansteuersignale festlegt und eine sich ergebende Schaltfrequenz durch die erste Zykluszahl höher ist als die Soll-Schaltfrequenz und eine sich ergebende Schaltfrequenz durch die zweite Zykluszahl geringer ist als die Soll-Schaltfrequenz. Schließlich ist der Mikrocontroller ausgestaltet, innerhalb einer Mehrzahl von Schaltzyklen die erste und die zweite Zykluszahl jeweils wenigstens einmal zu verwenden, um den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Ansteuersignale festzulegen.The resonant DC/DC converter according to the invention includes several power switches and a microcontroller. The microcontroller is designed to generate control signals for the power switches and is further designed to determine a target switching frequency with which the control signals are to be generated at a given operating point of the DC/DC converter over several switching cycles, from the target switching frequency and the frequency of a clock generator in a microcontroller to determine at least two different cycle numbers, whereby a cycle number is a number of cycles of the clock generator, the elapse of which determines the time interval between two successive control signals and a resulting switching frequency is higher than the target due to the first cycle number -Switching frequency and a resulting switching frequency due to the second cycle number is less than the target switching frequency. Finally, the microcontroller is designed to use the first and second cycle numbers at least once within a plurality of switching cycles in order to determine the time interval between two successive control signals.
Bei den Ansteuersignalen handelt es sich um die Signale, die letztlich ein Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter bewirken. Dabei kann im Einzelnen eine Nachverarbeitung der Ansteuersignale stattfinden, beispielsweise können auf ein Ansteuersignal hin Totzeiten abgewartet werden. Die Leistungsschalter sind beispielsweise diejenigen eines primärseitigen Wechselrichters, der einen Transformator des DC/DC-Wandlers speist. Es kann sich dabei um zwei Leistungsschalter handeln, die eine Halbbrücke bilden oder vier Leistungsschalter, die eine Vollbrücke bilden.The control signals are the signals that ultimately cause the circuit breakers to be switched on and off. In this case, post-processing of the control signals can take place; for example, dead times can be waited for a control signal. The circuit breakers are, for example, those of a primary-side inverter that feeds a transformer of the DC/DC converter. This can be two circuit breakers that form a half bridge or four circuit breakers that form a full bridge.
Die Soll-Schaltfrequenz entspricht einer für den aktuellen Betriebspunkt anzuwendenden Frequenz der Umschaltung der Leistungsschalter, bei der für das Beispiel einer Vollbrücke die beiden Paare aus diagonal liegenden Schaltern ein- oder ausgeschaltet werden, wobei das Einschalten gegenüber dem Ausschalten um eine Totzeit verzögert ist. Der Zeitbereich, in dem ein einzelne Umschaltung stattfindet, wird als Schaltzyklus bezeichnet. Die Soll-Schaltfrequenz ist dabei für mehrere Schaltzyklen gültig und gleichbleibend, kann sich aber in Zeiträumen, die größer als ein Schaltzyklus sind, verändern.The target switching frequency corresponds to a frequency of switching of the circuit breakers to be used for the current operating point, at which, for the example of a full bridge, the two pairs of diagonal switches are switched on or off, with the switching on is delayed by a dead time compared to switching off. The time range in which a single switching takes place is called a switching cycle. The target switching frequency is valid and constant for several switching cycles, but can change in periods that are longer than one switching cycle.
Bei dem Taktgeber handelt es sich beispielsweise um einen Oszillator eines im DC/DC-Wandler verwendeten Mikrocontrollers, der eine Taktgeberfrequenz von beispielsweise 100 MHz oder 1 GHz oder 5,4 GHz zur Verfügung stellt. Ein Taktgeberzyklus bezeichnet eine Periode des Taktgebers, also 10 ns bei einer Taktgeber-Frequenz von 100 MHz.The clock generator is, for example, an oscillator of a microcontroller used in the DC/DC converter, which provides a clock frequency of, for example, 100 MHz or 1 GHz or 5.4 GHz. A clock cycle refers to one period of the clock, i.e. 10 ns at a clock frequency of 100 MHz.
Die Zykluszahlen bezeichnen eine Anzahl von Taktgeberzyklen, die verstreichen, um die Länge eines Schaltzyklus festzulegen, also den Abstand zweier Umschaltungen. Die Zykluszahlen entsprechen also einem Multiplikator des Taktgeberzyklus oder einem Divisor der Taktgeberfrequenz. Eine Zykluszahl NZ von 1000 entspricht bei einer Taktgeberfrequenz fT von 100 MHz also einer Schaltfrequenz von fT / NZ = 100 kHz. Es versteht sich dabei, dass die Zykluszahlen stets ganzzahlig sind.The cycle numbers denote a number of clock cycles that elapse to determine the length of a switching cycle, i.e. the interval between two switches. The cycle numbers therefore correspond to a multiplier of the clock cycle or a divisor of the clock frequency. A cycle number N Z of 1000 corresponds to a switching frequency of f T / N Z = 100 kHz at a clock frequency f T of 100 MHz. It goes without saying that the cycle numbers are always integers.
Die Erfindung erreicht, dass eine Schaltfrequenz, die mit einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des Taktgebers nicht genau erreichbar ist, dennoch zumindest über eine Mehrzahl von Schaltzyklen als Mittelwert herstellbar ist. Bei der Mehrzahl von Schaltzyklen handelt es sich um wenigstens zwei Schaltzyklen.The invention ensures that a switching frequency that cannot be precisely achieved with an integer multiple of the frequency of the clock generator can nevertheless be produced as an average at least over a plurality of switching cycles. The majority of switching cycles are at least two switching cycles.
Vorteilhaft können so Rechteck-Ansteuerungssignale mit hoher Schaltfrequenz von beispielsweise 100 kHz oder mehr und einer sehr hohen Frequenzauflösung unterhalb von 0,1 % der Schaltfrequenz direkt mit einem einfachen Microcontroller erzeugt werden.Advantageously, square-wave control signals with a high switching frequency of, for example, 100 kHz or more and a very high frequency resolution below 0.1% of the switching frequency can be generated directly with a simple microcontroller.
Die Verwendung von technisch komplexeren und kostenintensiven Komponenten wie einem Voltage-Controlled Oscillator und FPGA oder hoch performanten Mikrokontrollern kann so entfallen. Die Erfindung ermöglicht mit vertretbarem Aufwand die Anwendung von Resonanzwandlern in Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Frequenzauflösung.This eliminates the need to use technically more complex and cost-intensive components such as a voltage-controlled oscillator and FPGA or high-performance microcontrollers. The invention enables the use of resonance converters in applications with very high requirements for frequency resolution with reasonable effort.
Der DC/DC-Wandler weist insbesondere eine Nennleistung von mehr als 20 kW auf. Gerade bei so hohen Leistungen ist es schwierig, einen Stromwandler mit vertretbaren Eigenschaften wie Gewicht und Größe bereitzustellen. Dafür ist es zweckmäßig, wenn die in dem DC/DC-Wandler verbauten Leistungsschalter eine Stromtragfähigkeit von wenigstens 100 A und/oder eine Sperrspannungsfestigkeit von wenigstens 100 V aufweisen.The DC/DC converter in particular has a nominal power of more than 20 kW. Especially with such high power levels, it is difficult to provide a current transformer with acceptable properties such as weight and size. For this purpose, it is useful if the power switches installed in the DC/DC converter have a current carrying capacity of at least 100 A and/or a reverse voltage strength of at least 100 V.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und DC/DC-Wandlers gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- Die erste und die zweite Zykluszahl sind bevorzugt aufeinanderfolgende ganze Zahlen. Durch ein Abwechseln zwischen möglichst nahe aneinander liegenden Schaltabständen werden höherfrequente Anteile des Schaltfrequenzmusters gering gehalten.
- The first and second cycle numbers are preferably consecutive integers. By alternating between switching distances that are as close to one another as possible, higher-frequency components of the switching frequency pattern are kept low.
Innerhalb einer Mehrzahl von Schaltzyklen können die erste und die zweite Zykluszahl abwechselnd verwendet werden, um den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Ansteuersignale festzulegen. Auf diese Weise kann eine Soll-Schaltfrequenz im Mittel eingestellt werden, die dem Mittelwert von zwei tatsächlich erreichbaren Schaltfrequenzen entspricht. Beispielsweise kann so eine mittlere Schaltfrequenz von ca. 88025 Hz eingestellt werden, wenn die tatsächlich erreichbaren Schaltfrequenzen durch Abzählen von Zykluszahlen 88050 Hz und 88000 Hz sind.Within a plurality of switching cycles, the first and second cycle numbers can be used alternately to determine the time interval between two successive control signals. In this way, a target switching frequency can be set on average, which corresponds to the average of two actually achievable switching frequencies. For example, an average switching frequency of approx. 88025 Hz can be set if the actually achievable switching frequencies are 88050 Hz and 88000 Hz by counting cycle numbers.
Bevorzugt wird eine erste ganzzahlige Anzahl für die erste Zykluszahl und eine zweite ganzzahlige Anzahl für die zweite Zykluszahl so ermittelt, dass sich bei Aneinanderreihung der ersten Anzahl von Schaltzyklen mit der ersten Zykluszahl und der zweiten Anzahl von Schaltzyklen mit der zweiten Zykluszahl im Mittel eine Schaltfrequenz ergibt, die um weniger als 5 Hz, insbesondere weniger als 1 Hz von der Soll-Schaltfrequenz abweicht. Hierdurch kann jede beliebige Soll-Schaltfrequenz angenähert werden durch eine passende Wiederholung der durch Abzählung der Taktgeberzyklen erreichbaren Schaltabstände. Die Mehrzahl von Schaltzyklen, über die hinweg die erste und zweite Zykluszahl verwendet werden, umfasst in diesem Fall eine Anzahl von Schaltzyklen, die der Summe der ersten Anzahl und der zweiten Anzahl entspricht.Preferably, a first integer number for the first cycle number and a second integer number for the second cycle number are determined in such a way that a switching frequency results on average when the first number of switching cycles with the first cycle number and the second number of switching cycles with the second cycle number are lined up , which deviates from the target switching frequency by less than 5 Hz, in particular less than 1 Hz. This means that any target switching frequency can be approximated by appropriately repeating the switching distances that can be achieved by counting the clock cycles. In this case, the plurality of switching cycles over which the first and second cycle numbers are used includes a number of switching cycles that corresponds to the sum of the first number and the second number.
Bevorzugt wird eine Sequenz aus den Zykluszahlen erstellt, deren Länge der Summe der ersten und zweiten ganzzahligen Anzahl entspricht und in der die erste Zykluszahl gemäß der ersten Anzahl auftritt und die zweite Zykluszahl gemäß der zweiten Anzahl auftritt. Die Sequenz wird zusammen mit einem Indikator für ihre Länge in einen Speicherbereich geschrieben. Hierdurch stehen die Daten für den laufenden Schaltbetrieb vollständig zur Verfügung und müssen solange nicht mehr neu berechnet werden, bis eine neue Soll-Schaltfrequenz festgelegt wird.Preferably, a sequence is created from the cycle numbers whose length corresponds to the sum of the first and second integer numbers and in which the first cycle number occurs according to the first number and the second cycle number occurs according to the second number. The sequence is written to a memory area along with an indicator of its length. This means that the data is completely available for ongoing switching operation and no longer needs to be recalculated until a new target switching frequency is determined.
Es ist zweckmäßig, die Sequenz aus Zykluszahlen, die wenigstens zwei verschiedene Zykluszahlen enthält, periodisch wiederholt zu verwenden. Mit anderen Worten werden die Zykluszahlen einmal nacheinander verwendet und dann nach Verwendung der letzten Zykluszahl der Sequenz zur ersten Zykluszahl der Sequenz zurückgekehrt und die Sequenz ein weiteres Mal verwendet. Dabei bleibt bei jeder Wiederholung die erste und zweite Anzahl der Zykluszahlen erhalten, bevorzugt aber auch die Anordnung der Zykluszahlen.It is expedient to periodically repeat the sequence of cycle numbers, which contains at least two different cycle numbers. In other words, the cycle numbers are used once in sequence and then, after using the last cycle number of the sequence, it returns to the first cycle number of the sequence and uses the sequence one more time. With each repetition, the first and second number of cycle numbers are retained, but the arrangement of the cycle numbers is also preferred.
Bevorzugt ist die gesamte Dauer, über die gemittelt wird, also die Summe aller Zykluszahl in der Sequenz multipliziert mit der Taktgeber-Periodendauer, kleiner als eine Periodendauer des Gesamtschaltkreises des DC/DC-Wandlers, wobei die Periodendauer des Gesamtschaltkreises die inverse Zeitkonstante ist, die sich aus den Komponenten des DC/DC-Wandlers ergibt, wobei diese Komponenten auch beispielsweise einen Ausgangskondensator umfassen.Preferably, the entire duration over which the average is taken, i.e. the sum of all the number of cycles in the sequence multiplied by the clock period duration, is smaller than a period duration of the overall circuit of the DC/DC converter, the period duration of the overall circuit being the inverse time constant results from the components of the DC/DC converter, these components also including, for example, an output capacitor.
Innerhalb eines Schaltzyklus kann die für den Schaltzyklus verwendete Zykluszahl mittels direktem Speicherzugriff in ein für die Zählung der Taktgeberzyklen verwendetes Register geschrieben werden. Hierdurch wird vorteilhaft der Mikrocontroller entlastet von der Aufgabe, die Zykluszahlen in das Register zu schreiben. Da diese Aufgabe mit einer Häufigkeit in Höhe der Schaltfrequenz durchgeführt werden muss, kann dadurch erhebliche Last für den Mikrocontroller gespart werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zykluszahlen bereits als Sequenz im Speicher vorliegen und nacheinander ausgelesen werden können.Within a switching cycle, the number of cycles used for the switching cycle can be written into a register used for counting the clock cycles using direct memory access. This advantageously relieves the microcontroller of the task of writing the cycle numbers into the register. Since this task must be performed with a frequency equal to the switching frequency, this can save significant load on the microcontroller. It is particularly advantageous if the cycle numbers are already available as a sequence in the memory and can be read out one after the other.
Der resonanter DC/DC-Wandler kann ein DC/DC-Wandler nach dem LLC-Prinzip sein. Bei diesen Wandlern kann mit einer sehr genauen Frequenzeinstellung eine Auslegung erreicht werden, bei der der gesamte Arbeitsbereich über ein enges Frequenzband nahe des Resonanzpunktes gestellt werden kann. Dies führt im Vergleich zu Auslegungen mit einem breiteren Frequenzband zu einer besseren Effizienz über den Arbeitsbereich.The resonant DC/DC converter can be a DC/DC converter based on the LLC principle. With these converters, a design can be achieved with a very precise frequency setting in which the entire working range can be set over a narrow frequency band close to the resonance point. This results in better efficiency over the working range compared to designs with a wider frequency band.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Schaltbild eines DC/DC-Wandlers nach dem LLC-Prinzip, -
2 ein Schema der Erzeugung der Ansteuersignale durch Abzählung der Zyklen eines Taktgebers, -
3 und4 Schemata der Erzeugung der Ansteuersignale für verschiedene Soll-Schaltfrequenzen.
-
1 a circuit diagram of a DC/DC converter based on the LLC principle, -
2 a scheme for generating the control signals by counting the cycles of a clock generator, -
3 and4 Schemes for generating the control signals for different target switching frequencies.
Die MOSFETs 11...14 bilden dabei in bekannter Weise zwei parallelgeschaltete Halbbrücken, wobei jede der Halbbrücken zwei der MOSFETs 11...14 in gleichsinniger Serienschaltung umfasst. Die Vollbrücke 110 ist mit den Außenanschlüssen der Halbbrücken an Eingangsanschlüsse 15, 16 für eine Gleichspannung angeschlossen.The MOSFETs 11...14 form two half-bridges connected in parallel in a known manner, each of the half-bridges comprising two of the MOSFETs 11...14 in series connection in the same direction. The
Zwischen die Mittelpunkte 17, 18 der Halbbrücken ist eine Serienschaltung aus einer seriellen Resonanzinduktivität 191, einem Resonanzkondensator 192 und einer Parallelschaltung aus der Primärseite 21 eines Transformators 20 und einer parallelen Resonanzinduktivität 193 geschaltet. Die Sekundärseite 22 des Transformators 20 wiederum ist mit einem Brückengleichrichter 23 verbunden. Der Brückengleichrichter 23 umfasst vier Dioden 24...27, die analog zu einer Vollbrücke zusammengeschlossen sind. Parallel zum Ausgang des Brückengleichrichters und parallel zu einer symbolischen Last 35 ist ein Glättungs-Kondensator 29 angeschlossen.A series circuit consisting of a
Zur Steuerung des DC/DC-Wandlers 10 ist eine genaue und dynamische Messung des Stroms erforderlich. Diese Strommessung ist durch die Strommesseinrichtung 194 angedeutet. Diese ist in
Beim DC/DC-Wandler 10 ist es sehr vorteilhaft für seine Effizienz, wenn die Ansteuersignale für die MOSFETs 11...14 eine sehr hohe Frequenzauflösung von weniger als 1 Hz besitzen. Solch hohe Frequenzauflösungen ermöglichen Auslegungen eines Resonanzwandlers, bei denen der gesamte Arbeitsbereich über ein enges Frequenzband nahe des Resonanzpunktes gestellt werden kann. Dies führt im Vergleich zu Auslegungen mit einem breiteren Frequenzband zu einer besseren Effizienz über den Arbeitsbereich.In the case of the DC/
Diese Ansteuersignale werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Taktgeber des Mikrocontrollers 30 erzeugt. Der Taktgeber soll im vorliegenden Beispiel eine Frequenz von 100 MHz haben. In anderen Beispielen kann die Frequenz auch deutlich höher sein, beispielsweise 5,44 GHz.In the present exemplary embodiment, these control signals are generated from a clock generator of the
Der Abstand zweier aufeinander folgender Ansteuersignale für einen der MOSFETs 11...14 wird dabei durch das Abzählen einer ganzzahligen Anzahl von Taktzyklen des Taktgebers festgelegt. Werden bei einem Taktgeber mit 100 MHz Taktfrequenz beispielsweise 1000 Zyklen zwischen zwei Ansteuersignalen abgezählt, ergibt sich ein zeitlicher Abstand zwischen den Ansteuersignalen von 1000 * 1 / 100 MHz = 10 ps. Dieser zeitliche Abstand entspricht einer Schaltfrequenz von 100 kHz. Diese Situation ist in
Der sich ergebende zeitliche Verlauf des Zählerwerts ist in
Werden anstelle von 1000 Zyklen nur 999 Zyklen des Taktgebers abgezählt, dann ergibt sich ein zeitlicher Abstand der Ansteuersignale von 9,99 ps, was einer Frequenz von 100 100, 100... Hz oder ca. 100,1 kHz. Es kann somit im Bereich bei 100 kHz Schaltfrequenz eine Auflösung von ca. 100 Hz erreicht werden.If only 999 cycles of the clock generator are counted instead of 1000 cycles, then the time interval between the control signals is 9.99 ps, which corresponds to a frequency of 100, 100, 100... Hz or approx. 100.1 kHz. A resolution of approx. 100 Hz can therefore be achieved in the range at 100 kHz switching frequency.
Um eine optimale Ansteuerung für den DC/DC-Wandler zu realisieren, ist es sehr vorteilhaft, wenn auch zwischen diesen Werten liegende Schaltfrequenzen erreichbar sind, beispielsweise 100050 Hz oder 100030 Hz. Dabei wurde erkannt, dass es aber nicht notwendig ist, dass diese Frequenzen, also der entsprechende zeitliche Abstand exakt für jeden Schaltvorgang eingehalten wird. Vielmehr ist es ausreichend, wenn diese Schaltfrequenzen über einen zeitlichen Bereich hinweg erreicht werden, der mehrere Schaltvorgänge (Schaltzyklen) umfasst.In order to achieve optimal control for the DC/DC converter, it is very advantageous if switching frequencies between these values can also be achieved, for example 100,050 Hz or 100,030 Hz. It was recognized that it is not necessary for these frequencies , i.e. the corresponding time interval is maintained exactly for each switching process. Rather, it is sufficient if these switching frequencies are achieved over a time range that includes several switching operations (switching cycles).
Vorteilhaft werden zur Erzeugung einer zwischen 100 kHz und 100,1 kHz liegenden Schaltfrequenz im Wechsel verschiedene Zyklenzahlen für den jeweiligen Schaltabstand abgezählt. Die dazu verwendeten Zyklenzahlen werden vom Mikrocontroller berechnet oder in einer Tabelle nachgesehen, sobald die neue Frequenz erforderlich wird.To generate a switching frequency between 100 kHz and 100.1 kHz, different numbers of cycles are advantageously counted alternately for the respective switching distance. The number of cycles used for this is calculated by the microcontroller or looked up in a table as soon as the new frequency is required.
In einem ersten Beispiel soll eine Soll-Schaltfrequenz von 100050 Hz verwendet werden. Der Mikroprozessor berechnet hierzu, dass diese Frequenz im Mittel mit einem sehr kleinen Fehler von einer Folge aus nur zwei verschiedenen Längen des Schaltzyklus erreicht werden kann. Es ist lediglich nötig, im Wechsel die Zykluszahlen 1000 und 999 zu verwenden. Die sich dadurch ergebende Frequenz von ca. 100050,05 Hz weicht also nur um etwa 50 mHz von der Soll-Schaltfrequenz ab.In a first example, a target switching frequency of 100,050 Hz should be used. The microprocessor calculates that this frequency can be achieved on average with a very small error from a sequence of just two different lengths of the switching cycle. It is only necessary to alternately use the
Die sich ergebende Folge aus Schaltzyklen ist analog zu
In
Die minimale Sequenz von Zykluszahlen, die also für die Ansteuerung verwendet wird, ist also: 999, 1000. Da diese Sequenz wiederholt wird, bis eine veränderte Soll-Schaltfrequenz vorliegt, sieht die Folge der verwendeten Zykluszahlen derart aus:
- ... 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, ...
- ... 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, 999, 1000, ...
In einem zweiten Beispiel soll eine Soll-Schaltfrequenz von 100030 Hz verwendet werden. Wird die sehr kurze periodische Folge von nur drei Zykluszahlen 999 und zweimal 1000 verwendet, so ergibt sich eine Frequenz von ca. 100033 Hz, was eine Abweichung von ca. 3 Hz von der Soll-Schaltfrequenz bedeutet. Diese Abweichung kann zu groß und daher unerwünscht sein.In a second example, a target switching frequency of 100,030 Hz should be used. If the very short periodic sequence of only three cycle numbers 999 and twice 1000 is used, the result is a frequency of approx. 100033 Hz, which means a deviation of approx. 3 Hz from the target switching frequency. This deviation may be too large and therefore undesirable.
In diesem Fall kann der Mikroprozessor eine genauere Folge von Zykluszahlen berechnen, die verwendet werden muss, um eine die Soll-Schaltfrequenz mit einer gegebenen höchsten Abweichung zu erreichen. Beispielsweise kann als periodische Folge dreimal die Zykluszahl 999 und siebenmal die Zykluszahl 1000 verwendet werden, um eine Frequenz von ca. 100030,03 Hz zu erreichen. Der damit erreichte Abstand von der Soll-Schaltfrequenz beträgt nur noch ca. 0,03 Hz und ist somit deutlich kleiner als 1 Hz. Dafür muss über 10 Schaltzyklen über eine Zeit von ca. 0,1 ms gemittelt werden, um diese Schaltfrequenz auch tatsächlich zu erreichen. Dabei versteht es sich, dass bevorzugt zwischen den Zykluszahlen 1000 und 999 abgewechselt wird und jede der Zykluszahlen möglichst selten wiederholt wird, soweit das bei der gegebenen periodischen Folge der Zykluszahl möglich ist.In this case, the microprocessor can calculate a more precise sequence of cycle numbers that must be used to achieve the target switching frequency with a given maximum deviation. For example, as a periodic sequence three times the cycle number 999 and seven times the
Die sich ergebende Folge aus Schaltzyklen ist analog zu
In
Soll eine Soll-Schaltfrequenz dargestellt werden, die außerhalb des Frequenzbereichs zwischen 100000 Hz und 100100 Hz liegt, dann werden dazu andere Zykluszahlen verwendet. Dabei sind die verwendeten Zykluszahlen Z1 und Z2 bevorzugt benachbart, also mit anderen Worten gilt Z1 = 1 + Z2. Weiterhin ist die sich ergebende Frequenz mit ausschließlich der ersten Zykluszahl Z1 kleiner als die Soll-Schaltfrequenz und die sich ergebende Frequenz mit ausschließlich der zweiten Zykluszahl Z2 größer als die Soll-Schaltfrequenz. Es kann also die zweite Zykluszahl gebildet werden durch Berechnung von:
Die Zykluszahlen muss der Mikrocontroller 30 nur dann ermitteln, wenn eine neue Soll-Schaltfrequenz verwendet wird. Der Mikrocontroller 30 kann die Zykluszahlen dann berechnen oder aus einer vorbefüllten oder im laufenden Betrieb befüllten Tabelle entnehmen. Selbst wenn nur die zwei zu den aktuellen Zykluszahlen gehörigen Schaltfrequenzen zwischengespeichert werden, ist eine neue Berechnung nur erforderlich, wenn eine neue Soll-Schaltfrequenz nicht mehr zwischen diesen beiden Schaltfrequenzen liegt.The
Das Timer-Register, dessen Inhalt bestimmt, wie lange die Schaltabstände sind, muss mit der Schaltfrequenz befüllt werden. Um dafür möglichst keine Rechenzeit des Mikrocontrollers 30 verwenden zu müssen, kann die aktuelle verwendete Folge von Zykluszahlen vorab als Zahlenfolge gespeichert werden. Die Zykluszahl für den nächstfolgenden Schaltvorgang kann dann vorteilhaft mittels DMA (direct memory access, also Beschreiben einer Speicherzelle ohne direkte Beteiligung des Prozessors) aus der Zahlenfolge in das Timer-Register geschrieben werden. Danach wird der Zeiger für das DMA inkrementiert, sodass beim nächsten Schreibvorgang auf die nächste Zykluszahl zugegriffen wird.The timer register, whose contents determine how long the switching intervals are, must be filled with the switching frequency. In order to avoid having to use the
Für die Soll-Schaltfrequenz von 100030 Hz würde also die folgende Sequenz von Zykluszahlen in den Speicher geschrieben und für das DMA bereitgestellt werden:
- 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999
- 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999
Da auch diese Sequenz so lange wiederholt wird, bis eine neue Soll-Schaltfrequenz vorliegt, sieht die verwendete Folge von Zykluszahlen derart aus:
- ... 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999 ...
- ... 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000 , 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 1000, 999, 1000, 1000, 999 ...
Es versteht sich, dass bei Erreichen des Endes der Zahlenfolge zum ersten Wert der Zahlenfolge zurückgekehrt wird. Wenn eine veränderte Soll-Schaltfrequenz vorliegt, berechnet der Mikrocontroller 30 eine neue Zahlensequenz, womit der Zeiger des DMA zweckmäßig zurück auf den ersten Wert der neuen Zahlensequenz gestellt wird. Durch Verwendung des DMA wird Rechenleistung des Mikrocontrollers 30 nur dann benötigt, wenn eine neue Soll-Schaltfrequenz eingestellt wird.It is understood that when the end of the number sequence is reached, the first value of the number sequence is returned. If there is a changed target switching frequency, the
Eine Soll-Schaltfrequenz von 99980 Hz kann mit einer Folge von viermal einer Zykluszahl von 1000 und einmal einer Zykluszahl von 1001 sehr genau erreicht werden. Es ergibt sich mit dieser Zykluszahlen-Folge eine Frequenz von ca. 99980,02 Hz. Die Abweichung von ca. 0,2 Hz ist also wieder sehr gering. Die Mittelung der Frequenz und die periodische Wiederholung der Schaltfolge findet also in diesem Fall über fünf Schaltzyklen hinweg statt.A target switching frequency of 99980 Hz can be achieved very precisely with a sequence of four times a cycle number of 1000 and once a cycle number of 1001. This cycle number sequence results in a frequency of approx. 99980.02 Hz. The deviation of approx. 0.2 Hz is again very small. The averaging of the frequency and the periodic repetition of the switching sequence In this case, it takes place over five switching cycles.
Um die Zahlenfolge zu ermitteln, wird zuerst eine Soll-Zykluszahl ermittelt als ZS = fT / fS. Diese kann beispielsweise 999,72 betragen und wird typischerweise nicht ganzzahlig sein. Von dieser Soll-Zykluszahl wird die zweite Zykluszahl abgezogen, sodass nur der dezimale Rest verbleibt, also in diesem Beispiel 0,72. Die sich ergebende Zahlensequenz wird als eine Folge der Zahlen 0 und 1 aufgebaut, wobei 0 für die zweite Zykluszahl 999 steht und 1 für die erste Zykluszahl 1000.To determine the sequence of numbers, a target cycle number is first determined as Z S = f T / f S . This can be, for example, 999.72 and will typically not be an integer. The second cycle number is subtracted from this target cycle number, so that only the decimal remainder remains, i.e. 0.72 in this example. The resulting number sequence is constructed as a sequence of the
Die Zahlenfolge wird mit einer 0 begonnen und sodann wird für jede nächste Zahl eine 0 gewählt, wenn der Mittelwert der Zahlenfolge größer ist als der Rest und andernfalls eine 1. Entspricht der Mittelwert der Folge aus 0 und 1 genau dem ermittelten Rest, dann ist die Soll-Schaltfrequenz mit der so dargestellten Zahlenfolge genau erreicht und die Folge ist vollständig. Ansonsten werden bis zum Erreichen einer vordefinierten maximalen Länge der Zahlenfolge weitere Zahlen, also 0 oder 1 hinzugefügt.The number sequence is started with a 0 and then a 0 is chosen for each next number if the mean of the number sequence is greater than the remainder and otherwise a 1. If the mean of the sequence of 0 and 1 corresponds exactly to the determined remainder, then the Target switching frequency is exactly reached with the sequence of numbers shown in this way and the sequence is complete. Otherwise, further numbers, i.e. 0 or 1, are added to the number sequence until a predefined maximum length is reached.
Für das Beispiel mit einem Rest von 0,72 ergeben sich also die folgenden Zahlen:
- 0,
- 1 (
Mittelwert 0 < 0,72,Abstand 0,72), - 1 (
Mittelwert 0,5 < 0,72,Abstand 0,22), - 1 (
Mittelwert 0,666666 < 0,72,Abstand 0,0533333), - 0 (
Mittelwert 0,75 > 0,72,Abstand 0,03), - 1 (
Mittelwert 0,6 < 0,72,Abstand 0,12), - 1 (
Mittelwert 0,666666 < 0,72,Abstand 0,0533333), - 1 (
Mittelwert 0,714285 < 0,72,Abstand 0,0057143), - 0 (
Mittelwert 0,75 > 0,72,Abstand 0,03), ...
- 0,
- 1 (mean 0 < 0.72, distance 0.72),
- 1 (mean 0.5 < 0.72, distance 0.22),
- 1 (mean 0.666666 < 0.72, distance 0.0533333),
- 0 (mean 0.75 > 0.72, distance 0.03),
- 1 (mean 0.6 < 0.72, distance 0.12),
- 1 (mean 0.666666 < 0.72, distance 0.0533333),
- 1 (mean 0.714285 < 0.72, distance 0.0057143),
- 0 (mean 0.75 > 0.72, distance 0.03), ...
In diesem Beispiel endet die Zahlenfolge mit 25 Zahlen und 18 mal der Zahl 1, da damit genau der Wert 18 / 25 = 0,72 erreicht ist. In realen Beispielen, bei denen die Frequenzen beliebige reale Zahlen sind und Zahl ihrer Dezimalstellen damit meist durch die Darstellung im Mikroprozessor 30 limitiert ist, endet die Zahlenfolge normalerweise erst mit dem Erreichen der maximalen Länge.In this example, the number sequence ends with 25 numbers and 18 times the number 1, since this results in exactly the
Nach Ermittlung der Zahlenfolge, die bei einer maximalen Länge von beispielsweise 1000 Einträgen also meist auch genau so lang sein wird, kann ermittelt werden, bei welcher Länge die größte Genauigkeit erreicht ist, da das nicht notwendigerweise bei der größten Länge der Fall ist. Bereits bei den wenigen Zahlen des obigen Beispiels ist erkennbar, dass die Genauigkeit, also der Abstand zu Rest schwankt. So ist innerhalb der ersten 9 Zahlen die Genauigkeit nach der siebten Zahl am höchsten.After determining the number sequence, which will usually be exactly the same length with a maximum length of, for example, 1000 entries, it can be determined at which length the greatest accuracy is achieved, since this is not necessarily the case with the greatest length. Even from the few numbers in the example above it is clear that the accuracy, i.e. the distance to the rest, fluctuates. Within the first 9 numbers, the accuracy is highest after the seventh number.
Dazu werden Teilfolgen der Zahlenfolge betrachtet, die von der ersten Zahl bis zur n-ten Zahl reichen und deren Genauigkeit ermittelt. Diese Ermittlung kann auch bereits während der Bestimmung der Zahlenfolge erfolgen, da in diesem Schritt ja stets solche Teilfolgen vorliegen. Der sich jeweils ergebende Abstand ist daher oben bereits zusätzlich angegeben. Die Teilfolge mit dem geringsten Abstand wird nun tatsächlich verwendet. Wäre die maximale Länge der Zahlenfolge 9 Zahlen, dann würde in obigem Beispiel die Zahlenfolge bis zur siebten Zahl verwendet, da hiermit der geringste Abstand vom Rest und somit die größte Genauigkeit erreicht wird.To do this, subsequences of the number sequence are considered, which range from the first number to the nth number, and their accuracy is determined. This determination can also take place during the determination of the number sequence, since such partial sequences are always present in this step. The resulting distance is therefore already stated above. The subsequence with the smallest distance is now actually used. If the maximum length of the number sequence were 9 numbers, then the number sequence up to the seventh number would be used in the example above, as this achieves the smallest distance from the rest and thus the greatest accuracy.
Aus der Soll-Schaltfrequenz werden in einem zweiten Schritt 502 eine passende erste und zweite Zykluszahl ermittelt. Diese sind ganze Zahlen und liegen wie bereits beschrieben bevorzugt so, dass die sich bei Verwendung der beiden Zykluszahlen ergebenden Schaltfrequenzen die Soll-Schaltfrequenz umschließen. Weiterhin sind die Zykluszahlen bevorzugt, aber nicht zwingend, benachbarte Zahlen. Weiterhin wird aus der Soll-Schaltfrequenz eine Sequenz der Zykluszahlen ermittelt, bei deren Verwendung sich im Mittel nahezu die Soll-Schaltfrequenz als mittlere Schaltfrequenz ergibt. Die Sequenz aus Zahlen wird in einem Speicherbereich des Mikrocontrollers 30 hinterlegt, zweckmäßig mit einer Information über die Länge der Sequenz oder einer Ende-Markierung nach dem Ende der Sequenz. Ein Zeiger auf eine als nächstes zu verwendende Zahl der Sequenz wird auf die erste Zahl der Sequenz gesetzt.In a
In einem dritten Schritt 503 wird diejenige Zahl der Sequenz, auf die der Zeiger weist, in ein Timer-Register geschrieben. Nach Berechnung einer neuen Sequenz im zweiten Schritt 502 ist das die erste Zahl der Sequenz, später jedoch auch die folgenden Zahlen. Nach dem Schreiben in das Timer-Register wird der Zeiger inkrementiert, zeigt also nun auf die nächstfolgende Zahl der Sequenz. Ist damit das Ende der Sequenz überschritten, wird der Zeiger auf die erste Zahl zurückgesetzt, wodurch eine periodische Wiederholung der Sequenz erreicht wird. Ein Zähler für das Abzählen der Zykluszahl wird auf 0 gesetzt.In a
Im vierten Schritt 504, der Unterschritte beinhaltet, findet nun ein Abzählen und somit Abwarten einer Zeit statt, die sich aus der Zykluszahl im Timer-Register und der Frequenz des Taktgebers ergibt. Dazu wird in einem fünften Schritt 505 der Zähler inkrementiert und in einem sechsten Schritt 506 ermittelt, ob der Zähler gleich (oder größer) dem Wert im Timer-Register ist. Falls das nicht der Fall ist, wird zum fünften Schritt 505 zurückgekehrt, wobei die Geschwindigkeit dieser Schrittfolge durch die Zyklen des Taktgebers geregelt ist.In the
Falls der Wert des Timer-Registers erreicht ist, wird in einem siebten Schritt 507 ein Schaltvorgang ausgelöst. Dieser Vorgang kann weitere Schritte wie Einhalten von Totzeiten enthalten, ist also selbst ein komplexer Schritt, dessen Details aber das gezeigte Verfahren nicht beeinflussen.If the value of the timer register is reached, a switching process is triggered in a
In einem auf den siebten Schritt 507 folgenden achten Schritt 508 wird ermittelt, ob eine neue Soll-Schaltfrequenz nötig ist. Falls das der Fall ist, wird zum zweiten Schritt 502 zurückgekehrt. Falls das nicht der Fall ist, wird das Verfahren mit dem dritten Schritt 503 fortgesetzt.In an
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- DC/DC-WandlerDC/DC converter
- 11...1411...14
- MOSFETMOSFET
- 15, 1615, 16
- EingangsanschlüsseInput connections
- 17, 1817, 18
- Mittelpunkte der HalbbrückenCenter points of the half bridges
- 191191
- serielle Resonanzinduktivitätserial resonance inductance
- 192192
- ResonanzkondensatorResonance capacitor
- 193193
- parallele Resonanzinduktivitätparallel resonance inductance
- 194194
- StrommesseinrichtungCurrent measuring device
- 2020
- Transformatortransformer
- 2121
- Primärseiteprimary page
- 2222
- SekundärseiteSecondary side
- 2323
- BrückengleichrichterBridge rectifier
- 24...2724...27
- Diodendiodes
- 2929
- Glättungs-KondensatorSmoothing capacitor
- 3030
- MikrocontrollerMicrocontroller
- 3535
- Lastload
- 110110
- VollbrückeFull bridge
- 201, 301, 401 501...507201, 301, 401 501...507
- Schaltlinien erster bis siebter SchrittSwitching lines first to seventh step
- fSfS
- Soll-SchaltfrequenzTarget switching frequency
- fAfa
- SchaltfrequenzSwitching frequency
- fTfT
- Taktgeber-FrequenzClock frequency
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